Пульсары
Страница 2
(которое и представляет собой - с точностью до несущественного числового множителя - момент импульса). В этом произведении Q - частота вращения тела, M- его масса, R- размер тела в направлении, перпендикулярном оси вращения, который в случае сферической звезды совпадает. с ее радиусом. При неизменной массе остается постоянным произведение
, и, значит, с уменьшением размера тела частота его вращения возрастает по закону:(1.3)
Нейтронная звезда образуется путем сжатия центральной области, ядра звезды, исчерпавшей запасы ядерного топлива. Ядро успевает еще предварительно сжаться до размеров белого карлика,
Дальнейшее сжатие до размера нейтронной звезды,
означает уменьшение радиуса в тысячу раз. Соответственно в миллион раз должна возрасти частота вращения и во столько же раз должен уменьшиться его период. Вместо, скажем месяца звезда совершает теперь один оборот вокруг своей оси всего за три секунды. Более быстрое исходное вращение дает и еще более короткие периоды. Сейчас известны не только пульсары, излучающие в радиодиапазоне, - их называют радиопульсарами, но и рентгеновские пульсары, излучающие регулярные импульсы рентгеновских лучей. Они тоже оказались нейтронными звездами; в их физике много такого, что роднит их с барстерами. Но и радиопульсары, и рентгеновские пульсары отличаются от барстеров в одном принципиальном отношении: они обладают очень сильными магнитными полями. Именно магнитные поля - вместе с быстрым вращением - и создают эффект пульсаций, хотя и действуют эти поля по-разному в радиопульсарах и пульсарах рентгеновских.
Мы расскажем сначала о рентгеновских пульсарах, механизм излучения которых более или менее ясен, а затем о радиопульсарах, которые изучены пока в гораздо меньшей степени, хотя они и открыты раньше рентгеновских пульсаров и барстеров.
Рентгеновские пульсары
Рентгеновские пульсары — это тесные двойные системы, в которых одна из звезд является нейтронной, а другая — яркой звездой-гигантом. Известно около двух десятков этих объектов. Первые два рентгеновских пульсара — в созвездии Геркулеса и в созвездий Центавра — открыты в 1972 г. (за три года до обнаружения барстеров) с помощью американского исследовательского спутница «Ухуру»). Пульсар в Геркулесе посылает импульсы с периодом 1,24 с. Это период вращения нейтронной звезды. В системе имеется еще один период — нейтронная звезда и ее компаньон совершают обращение вокруг их общего центра тяжести с периодом 1,7 дня. Орбитальный период был определен в этом случае благодаря тому (случайному) обстоятельству, что «обычная» звезда при своем орбитальном движении регулярно оказывается на луче зрения, соединяющем нас и нейтронную звезду, и потому она заслоняет на время рентгеновский источник. Это возможно, очевидно, тогда, когда плоскость звездных орбит составляет лишь небольшой угол с лучом зрения. Рентгеновское излучение прекращается приблизительно на 6 часов, потом снова появляется, и так каждые 1,7 дня.
(Между прочим, наблюдение рентгеновских затмений для барстеров до
последнего времени не удавалось. И это было странно: если орбиты двойных
систем ориентированы в пространстве хаотически, то нужно ожидать, что из
более чем трех десятков барстеров по крайней мере несколько имеют
плоскости орбитального движения, приблизительно параллельные лучу зрения
(как у пульсара в Геркулесе), чтобы обычная звезда могла периодически
закрывать от нас нейтронную звезду. Только в 1982 г., т. е. через 7 лет после
открытия барстеров, один пример затменного барстера был, наконец,
обнаружен.)Длительные наблюдения позволили установить еще один -
третий - период рентгеновского пульсара в Геркулесе: этот период составляет
35 дней, из которых II дней источник светит, а 24 дня нет. Причина этого
явления остается пока неизвестной. Пульсар в созвездии Центавра имеет
период пульсаций 4,8 с . Период орбитального движения составляет 2,087
дня—он тоже найден по рентгеновским затмениям. Долгопериодических
изменений, подобных 35-дневному периоду пульсара в созвездии Геркулеса у
этого пульсара не находят. Компаньоном нейтронной звезды в двойной системе
этого пульсара является яркая видимая звезда-гигант с массой 10-20 Солнц. В большинстве случаев компаньоном нейтронной звезды в рентгеновских
пульсарах является яркая голубая звезда-гигант. Этим они отличаются от
барстеров, которые содержат слабые звезды-карлики. Но как и в барстерах, в
этих системах возможно перетекание вещества от обычной звезды к
нейтронной звезде, и их излучение тоже возникает благодаря нагреву
поверхности нейтронной звезды потоком аккрецируемого вещества. Это тот же
физический механизм излучения, что и в случае фонового (не вспышечного)
излучения барстера. У некоторых из рентгеновских пульсаров вещество
перетекает к нейтронной звезде в виде струи (как в барстерах). В большинстве
же случаев звезда-гигант теряет вещество в виде звездного ветра -
исходящего от ее поверхности во все стороны потока плазмы, ионизированного
газа. (Явление такого рода наблюдается и у Солнца, хотя солнечный ветер и
слабее - Солнце не гигант, а карлик.) Часть плазмы звездного ветра попадает
в окрестности нейтронной звезды, в зону преобладания ее тяготения, где и
захватывается ею.
Однако при приближении к поверхности нейтронной звезды заряженные
частицы плазмы начинают испытывать воздействие еще одного силового поля
магнитного поля нейтронной звезды-пульсара. Магнитное поле способно
перестроить аккреционный поток, сделать его несферически-симметричным, а направленным. Как мы сейчас увидим, из-за этого и возникает эффект пульсаций излучения, эффект маяка. Есть все основания полагать, что нейтронные звезды рентгеновских пульсаров обладают очень сильным магнитным полем, достигающим значений магнитной индукции
что в
раз больше среднего магнитного поля Солнца. Но такие поля естественно
получаются в результате сильного сжатия при превращении обычной звезды в нейтронную. Согласно общим соотношениям электродинамики магнитная
индукция В поля, силовые линии. которого пронизывают данную массу
вещества, усиливается при уменьшении геометрических размеров R этой
массы:(1.4)
Это соотношение следует из закона сохранения магнитного потока. Стоит
обратить внимание на то, что магнитная индукция нарастает при сжатии тела
точно так же, как и его частота вращения.
При уменьшении радиуса звезды от значения, равного, например, радиусу Солнца
, до радиуса нейтронной звезды,
магнитное поле усиливается на 10 порядков. Магнитное поле с индукцией
сравнимое с полем Солнца, считается более или менее типичным для обычных звезд; у некоторых «магнитных» звезд обнаружены поля в несколько тысяч раз большие, так что вполне можно ожидать, что определенная (и не слишком малая) доля нейтронных звезд действительно должна обладать очень сильным, магнитным полем. К такому заключению пришел советский астрофизик Н. С. Кардашев еще в 1964 г.